閆澍旺，李亞奇，林澍，閆玥，朱福明，紀(jì)玉誠

泥封法水下真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬

閆澍旺1，2，李亞奇1，2，林澍1，2，閆玥1，2，朱福明3，紀(jì)玉誠1，2

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072；3.天津港建設(shè)公司，天津300452）

現(xiàn)有的水下真空預(yù)壓技術(shù)主要適用于潮間帶的軟基加固，并非完全意義上的水下真空預(yù)壓。針對全水域水下密封存在的問題，文章提出用泥封法代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋪膜方法進(jìn)行水下真空預(yù)壓的密封，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對泥封法水下真空預(yù)壓進(jìn)行了研究，通過對土體沉降、強(qiáng)度增長和含水率變化的分析，驗(yàn)證了泥封法的可行性，并提出幾種增強(qiáng)真空預(yù)壓加固效果的方法。結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行了泥封法水下真空預(yù)壓的計算方法研究，并探究上覆水荷載對于真空預(yù)壓效果的影響。最后，對泥封法水下真空預(yù)壓技術(shù)在工程中的運(yùn)用方法進(jìn)行了討論并提出一定的建議。

全水域；軟黏土；水下真空預(yù)壓；泥封法；數(shù)值模擬

0 引言

在天津?yàn)I海地區(qū)覆蓋著大量的軟黏土，因其含水量高、強(qiáng)度低，使得該地區(qū)容易出現(xiàn)岸坡失穩(wěn)、圍埝失穩(wěn)、桶形基礎(chǔ)失穩(wěn)等問題。究其原因，主要是因?yàn)榈鼗吝^于軟弱而無法承擔(dān)上部荷載。對于這一問題，真空預(yù)壓無疑是目前最為經(jīng)濟(jì)、對環(huán)境影響最小的有效方法之一。自1953年引進(jìn)我國至今，真空預(yù)壓在陸域軟土地基處理方面的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且出現(xiàn)了許多的改進(jìn)。然而，基于陸上真空預(yù)壓而提出的加固海底軟基的水下真空預(yù)壓法，至今仍然發(fā)展緩慢。

制約水下真空預(yù)壓發(fā)展的一大技術(shù)難點(diǎn)是水下密封技術(shù)。目前，在水下進(jìn)行鋪膜主要存在兩方面問題：一方面是塑料膜會在水的浮力作用下浮起，難以與水下土體表面貼合；另一方面是大面積預(yù)壓只能分區(qū)域進(jìn)行鋪膜，但各區(qū)域間密封膜的粘結(jié)在水下難以實(shí)現(xiàn)。由于水下鋪膜困難，一旦出現(xiàn)問題又難以進(jìn)行維護(hù)，常水位水域的水下真空預(yù)壓到目前為止在國內(nèi)還未出現(xiàn)成功案例。

對水下真空預(yù)壓技術(shù)的研究，早期的日本、英國、美國等國家有過一些試驗(yàn)或構(gòu)想[1]。2000年，挪威學(xué)者和工程人員研制出新型水下鋪膜裝置并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)[2]，利用錨樁和大型滾軸在水深約10 m的試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了水下鋪膜。該試驗(yàn)成功地對試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了加固，并驗(yàn)證了全水域水下真空預(yù)壓的可行性，同時對水深和預(yù)壓荷載的關(guān)系進(jìn)行了一定程度的討論。然而，該試驗(yàn)面積較小，且沒有涉及水下塑料膜的連接、修復(fù)等問題。該鋪膜方法的施工工藝仍然沿用陸域真空預(yù)壓的思路，在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用的可能性仍有待考察。

在國內(nèi)，潮間帶真空預(yù)壓已經(jīng)形成了比較成熟的工藝。天津、連云港、廈門、廣州、深圳等地[3-7]都成功地進(jìn)行過潮間帶真空預(yù)壓施工。然而該方法受潮汐影響巨大，對施工環(huán)境要求較為嚴(yán)格，并非完全意義上的水下真空預(yù)壓，其應(yīng)用范圍和推廣存在局限性。對于水下鋪膜的研究，國內(nèi)學(xué)者的思路與挪威的水下真空預(yù)壓現(xiàn)場試驗(yàn)類似，主要關(guān)心如何將塑料膜貼附于海底地面上[8-9]。然而，由于現(xiàn)有施工技術(shù)及施工設(shè)備發(fā)展相對滯后，上述研究大多處于設(shè)想階段，缺乏試驗(yàn)結(jié)論支持，因此也沒有在實(shí)際工程中推廣。

針對水下真空預(yù)壓鋪膜存在的困難，本文提出一種用泥層代替塑料膜進(jìn)行密封的方法。泥封法是在地基土表面鋪上一定厚度的泥層，將上部水和空氣與地基土隔離開，以此代替塑料膜來進(jìn)行密封，然后再真空預(yù)壓。根據(jù)上述思路，本文進(jìn)行了泥封法室內(nèi)模型試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析和討論，最后對泥封法的工程應(yīng)用提出了建議。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头椒?/h2>

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自天津港港區(qū)，屬于海相沉積黏土，其孔隙比大、壓縮性大、含水量高，基本物理特性如表1所示。試驗(yàn)中，將泥層分為2個部分：底部為試驗(yàn)土體，模擬待加固的地基土；上部為密封泥層，代替塑料膜進(jìn)行密封。由表1可知，密封泥層含水率略低于試驗(yàn)土體，塑性指數(shù)也略高于試驗(yàn)土體。

表1 試驗(yàn)中土樣的基本物理性質(zhì)Table1Basicphysicalpropertiesofexperimentsoil samples

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)的模型由試驗(yàn)槽、塑料排水板、水環(huán)式真空泵、真空氣罐和采集裝置組成，見圖1。試驗(yàn)槽為單面封口有機(jī)玻璃圓桶槽，高1 m，直徑50 cm。試驗(yàn)土體厚60 cm，密封泥層厚20 cm，上覆水深10 cm。塑料排水板40 cm，加固深度為試驗(yàn)土體表面至土中40 cm深度處。真空氣罐用于調(diào)節(jié)真空壓力，同時收集真空預(yù)壓抽出的水。采集裝置包括孔壓計、真空表、百分表和采集儀。孔壓計測量試驗(yàn)時土中孔壓變化，真空表測量真空氣罐和排水板中的負(fù)壓大小，百分表用于監(jiān)測土表面沉降。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.1Illustration of experiment model

1.3 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)槽中裝填60 cm厚飽和軟黏土，將表面抹平后覆上10 cm水。靜置2～3 d，待水層變澄清之后，在槽子中間插入40 cm塑料排水板，布置真空表和孔壓計，再裝填20 cm密封泥，水下抹平，并著重在邊緣和管子引出的部分將泥抹勻，減少漏氣的可能。靜置48 h，然后開始抽氣加固。由于工程現(xiàn)場的尺寸往往較大，地表起伏不平，因此需要更厚的封泥厚度，一般為60～80 cm，雖然本試驗(yàn)采取的封泥層厚為20 cm，但二者在真空預(yù)壓過程中的作用相當(dāng)，結(jié)果誤差極小，因此可以忽略模型尺寸效應(yīng)。

試驗(yàn)分為2個階段：第一階段，從第1天到第4天，真空度基本保持在-60 kPa以下；第二階段，從第5天開始直到試驗(yàn)結(jié)束，真空度均保持在-90 kPa左右。

試驗(yàn)過程中，監(jiān)測水面、密封泥表面和試驗(yàn)土體表面的沉降，同時監(jiān)測排水板中真空度變化及土中孔壓變化情況。當(dāng)泥面的日沉降量連續(xù)5 d小于2 mm/d后，停止抽氣，進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)，測量加固后土體的剪切強(qiáng)度，并取不同深度的土樣進(jìn)行含水率試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 沉降分析

試驗(yàn)過程中的水表面沉降、密封泥層表面沉降和原始土表面沉降如圖2所示。

圖2 沉降曲線Fig.2Curves of settlement

由結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)束時，密封泥層表面最終沉降約為8 cm，試驗(yàn)土體表面最終沉降比密封泥層表面沉降略大，約為8.2 cm，水表面最終沉降較大，約為9.8 cm。當(dāng)階段一測得的沉降速率開始減小后，增大真空壓力，沉降速率又開始變大。另外，在階段二中，大約從第15天開始，水面沉降逐漸大于密封泥層表面沉降和試驗(yàn)土體表面沉降，且其沉降速率基本保持不變，說明除了蒸發(fā)以外，密封泥層表面的水逐漸滲透到了土中。密封泥層表面沉降和原始土表面沉降大致相等，且兩者沉降速率均逐漸減小至2 mm/d以下，即沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 孔壓及真空度分析

圖3所示為試驗(yàn)過程中孔壓曲線及真空度變化情況。其中，孔壓曲線表示距排水板不同位置處的孔壓變化情況，兩處初始孔壓均在5 kPa左右，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，孔壓曲線整體上表現(xiàn)出逐漸消散的趨勢。在階段一中，兩處的孔壓均降至-5 kPa左右。在階段二中，距板5 cm處的孔壓最低降至約-38 kPa；距板10 cm處的孔壓最低降至約-13 kPa。

圖3 孔壓曲線及真空度曲線Fig.3Curves of pore pressure and vacuum degree

試驗(yàn)過程中，對真空氣罐及排水板中的真空度進(jìn)行了監(jiān)測，如圖3所示。其中，真空表1表示排水板中部的真空度，真空表2表示排水板底部的真空度。試驗(yàn)階段一，真空壓力基本控制在較低水平（約-20～-60 kPa之間）；試驗(yàn)階段二，真空度均保持在-80～-100 kPa之間。

由圖可知，整個試驗(yàn)過程中，真空氣罐的真空度始終大于排水板中的真空度，差值基本保持5～10 kPa之間；真空表2的真空度基本低于真空表1的真空度，差值基本保持在2～3 kPa之間。在整個試驗(yàn)過程中，隨著真空水平的增加，各真空表間的差值均有所減小，說明真空水平越高，真空度傳遞效率越高。另外，由于真空表1比真空表2測量位置高出約20 cm，靜水壓力差值約為2 kPa，二者在真空度上的差值也在2 kPa左右。因此，可認(rèn)為排水板中兩真空表間真空度存在差異的原因是靜水壓力作用。

2.3 十字板強(qiáng)度分析

試驗(yàn)所用軟黏土在加固前強(qiáng)度很低，不排水強(qiáng)度在0～2 kPa。密封泥層的不排水強(qiáng)度略微高一些，為2～3 kPa。從圖4可以看出，經(jīng)過加固之后，離板越近，加固后土體的十字板強(qiáng)度越高，即加固效果越好。排水板周圍加固效果最好，強(qiáng)度最大可達(dá)26 kPa左右；距板5 cm處加固效果次之，最大強(qiáng)度可達(dá)15 kPa；距板10 cm處最大強(qiáng)度約為9 kPa，且沿排水板自上而下強(qiáng)度基本一致；距板15 cm處土體強(qiáng)度提高較少，最大達(dá)到6 kPa左右。

圖4 試驗(yàn)前后土體十字板剪切強(qiáng)度Fig.4Vane shear strength of soils before and after experiment

由于排水板位于土體20～60 cm深度處，該范圍內(nèi)的土體強(qiáng)度提高較多；表層0～20 cm處不屬于排水板加固范圍，且上覆水會滲透進(jìn)表層的土中，因此0～20 cm深度范圍內(nèi)土體的十字板強(qiáng)度提高不太明顯。另外，深層土體由于上部土層的荷載作用，加固效果比淺層土體更好一些。深度大于60 cm的土體也不在排水板加固范圍內(nèi)，因此強(qiáng)度提高程度也有限。

2.4 含水率分析

加固完成后，取距排水板5 cm不同深度處土樣進(jìn)行含水率試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)前后土體含水率Fig.5Water content of soils before and after experiment

加固前，試驗(yàn)土層含水率約為71.6%，密封泥層含水率約為58.2%。經(jīng)過加固，試驗(yàn)土體含水率顯著下降，排水板加固范圍內(nèi)基本可降至35%～45%之間，下降幅度基本在42%～48%之間；密封泥層的含水率變化不明顯，試驗(yàn)結(jié)束后基本處于50%～60%之間，下降幅度在10%以內(nèi)。造成上述現(xiàn)象的原因，一是密封泥層不在排水板加固范圍內(nèi)，加固效果較差；二是上覆水層的滲透效應(yīng)，造成密封泥層與水體接觸范圍內(nèi)含水率下降不多，甚至有上升的現(xiàn)象。因此，在使用泥封法進(jìn)行密封時，上覆密封泥層厚度不宜過大，建議不超過1 m。

2.5 出水量分析

試驗(yàn)階段一中，在試驗(yàn)開始后第3天起，沉降速率開始出現(xiàn)減緩的趨勢。到第4天時，沉降曲線出現(xiàn)一個小拐點(diǎn)，說明當(dāng)前真空荷載水平作用下土體沉降速率已開始減小，相應(yīng)的出水量也不斷減小。另外，在與排水板相連的真空抽水管中可以看見，水平面基本保持不動（如圖6），僅有少部分水被緩慢抽出，出水量累積曲線出現(xiàn)近乎水平的曲線段，如圖7所示。

圖6 真空管中水位及氣泡Fig.6Water level and bubble in the vacuum drainage pipe

圖7 試驗(yàn)中累積出水量曲線Fig.7Curve of cumulative dewatering volume in the test

試驗(yàn)進(jìn)行到階段二時，真空壓力增加到-90 kPa左右，出水量明顯增大，同時沉降速率加快，孔壓曲線也逐漸明顯地下降。隨著階段二的進(jìn)行，即使真空度保持不變，沉降速率也將逐漸減小，真空管中將再次出現(xiàn)圖6所示的現(xiàn)象。

真空管出現(xiàn)水平面時，一方面說明現(xiàn)有真空壓力不足以將水從管中抽出，另一方面說明真空管管徑過大，難以形成連續(xù)水流。通過上述現(xiàn)象可以看出，真空壓力、出水量和沉降三者間有著密切聯(lián)系。真空壓力足夠時，若出水量足夠大，即真空預(yù)壓從土中抽出的水能及時排出，則土體將不斷產(chǎn)生沉降；反之，若抽出的水無法及時排出，沉降速率將減小甚至降為0。

通過上述現(xiàn)象分析，筆者認(rèn)為增強(qiáng)真空預(yù)壓加固效果的方法有以下幾種：1）增大真空壓力；2）保持出水通暢，如減小真空管管徑、增加排水路徑（排水板）等；3）增加上覆荷載。

3 上覆水作用討論

3.1 作用機(jī)理分析

對于水下真空預(yù)壓上覆水的作用問題，目前主流思想認(rèn)為其應(yīng)該作為預(yù)壓荷載考慮[2，11]。在施工設(shè)計階段，當(dāng)上覆水深度不大時，通常將其作為安全儲備，在計算時不作為荷載考慮[11]。然而，對于泥封法真空預(yù)壓，由于會發(fā)生上覆水的滲透，上覆水荷載作用應(yīng)該是一個變化的過程，即開始一段時間內(nèi)可以作為荷載考慮，隨著滲透的進(jìn)行，上覆水的作用逐漸減弱，最終完全消失。

假定地基土始終飽和，地基變形量與水下真空預(yù)壓抽出的水量相等；上覆水作用下的沉降S水與真空作用下的沉降S真空分開考慮，兩者疊加即為總的土體沉降（即S=S水+S真空）。因此，當(dāng)滲透速率與上覆水作用下的沉降速率相等時，可認(rèn)為上覆水荷載對土體沉降不再起作用。根據(jù)上述思想，可得到如下表達(dá)式：

式中，駐S水表示在上覆水作用下土體產(chǎn)生的沉降量；駐Q表示與駐S水在同等時長內(nèi)的上覆水滲入量；A為加固區(qū)面積。當(dāng)式（1）成立時，認(rèn)為上覆水不作為荷載考慮，即此時水下真空預(yù)壓過程僅考慮真空荷載作用。

根據(jù)上述思路，對本試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，在試驗(yàn)過程中，上覆水作用下的土體沉降速率不斷減小，而滲透速率不斷增大，但整個試驗(yàn)過程中，上覆水產(chǎn)生的土體沉降速率始終大于其滲透速率。因此，可認(rèn)為本試驗(yàn)中上覆水可一直作為荷載考慮。

3.2 數(shù)值模擬分析

為了更好地模擬實(shí)際情況，考慮三維效應(yīng)，基于上覆水荷載的作用機(jī)理，通過ABAQUS建立三維模型，負(fù)壓采用施加孔壓邊界的方法，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究上覆水的作用效果。本次模擬分為3種情況：1）不考慮上覆水荷載，僅考慮真空荷載作用；2）部分考慮上覆水作用，即開始一段時間內(nèi)考慮水荷載作用，后一段時間僅考慮真空荷載作用；3）完全考慮上覆水作用，即認(rèn)為整個過程中上覆水均當(dāng)作荷載考慮。其中，部分考慮上覆水作用時，由于試驗(yàn)中大約在第15天時發(fā)現(xiàn)上覆水明顯地滲入土體，因此荷載作用時間取0～15 d，此后不考慮上覆水的荷載作用。各方案如表2所示。土體模型如圖8所示，采用劍橋模型進(jìn)行模擬，參數(shù)如表3所示。

表2 數(shù)值模擬方案Table 2Schemes of numerical simulation

圖8 數(shù)值模擬土體模型Fig.8Soil model in numerical simulation

表3 劍橋模型土體參數(shù)Table 3Soil parameters of Cambridge model

各方案的數(shù)值模擬沉降結(jié)果與模型試驗(yàn)沉降結(jié)果的對比如圖9所示。如圖可知，不考慮上覆水荷載時的沉降結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差比較大。部分考慮水荷載和完全考慮水荷載兩種情況下所得的沉降曲線與試驗(yàn)結(jié)果重合度均比較好。另外，由于本試驗(yàn)中上覆水荷載作用較小，部分考慮和完全考慮時的結(jié)果相差不大。由此可見，水下真空預(yù)壓中，為了更準(zhǔn)確地預(yù)測地基沉降，上覆水應(yīng)作為荷載考慮。如果打算將上覆水荷載作用作為安全儲備時，可以采用部分考慮水荷載作用的方法。

圖9 數(shù)值模擬中各方案的沉降結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.9Comparisons between the results of numerical simulationandmodeltestresultofdifferentscheme

4 結(jié)論與建議

本文針對全水域水下真空預(yù)壓密封存在的困難，提出用泥封法代替塑料膜密封法，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了泥封法的可行性，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。根據(jù)研究結(jié)果，得出如下結(jié)論與建議：

1）泥封法水下真空預(yù)壓具有可行性。在該方法作用下，土體沉降、土體強(qiáng)度增長和含水率的下降均比較明顯，土體加固效果比較理想。在實(shí)際工程中，密封泥層的厚度不宜過大，建議不超過1 m。本方法為全水域水下真空預(yù)壓的研究提供了新思路，對實(shí)際工程的施工工藝發(fā)展提供了一定的參考。

2）真空預(yù)壓的沉降和出水量有關(guān)，當(dāng)出水較為順暢時，土體沉降較快。為保證真空預(yù)壓能取得良好效果，可通過加大真空壓力、減小真空管管徑、增加上覆荷載等方法，來增強(qiáng)真空預(yù)壓的加固效果。

3）上覆水在水下真空預(yù)壓中應(yīng)作為荷載考慮，但隨著上覆水向地基中緩慢地滲透，其荷載作用會發(fā)生變化。當(dāng)上覆水的滲透速率大于其作用下的土體沉降速率后，上覆水的預(yù)壓荷載作用消失。為了較為準(zhǔn)確地估算水下真空預(yù)壓中的土體沉降，同時又偏于保守地進(jìn)行估計時，可部分地考慮上覆水荷載作用。

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Indoor model experimental research and numerical simulation of underwater vacuum preloading with clay-sealing method

YAN Shu-wang1,2,LI Ya-qi1,2,LIN Shu1,2,YAN Yue1,2,ZHU Fu-ming3,JI Yu-cheng1,2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 3.Tianjin Port Construction Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China）

The existing underwater vacuum preloading technology,which is suitable for the soft soil foundation reinforcement in intertidal zone,is an incomplete underwater vacuum preloading.Considering the problems of underwater sealing for full waters,we put forwoard clay-sealing method to substitute the plastic membrane sealing method to seal for underwater vacuum preloading,performed indoor model test to investigate the method.Through the analysis on changes of soil settlement,strength increase and water content,we verified the feasibility of the clay-sealing method,and put forward several methods to enhance the effect of vacuum preloading.We carried out numerical simulations to study the calculation method of underwater vacuum preloading with clay-sealing method,and investigated the influence of overlying water load on vacuum preloading.Moreover, some advices are given to the application of the underwater vacuum preloading with clay-sealing method in engineering projects based on the discussion.

total water area;soft clay;underwater vacuum preloading;clay-sealing method;numerical simulation

U655.544.4；TU43

A

2095-7874（2017）09-0005-06

10.7640/zggwjs201709002

2017-06-30

2017-07-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41272323，41372291）；天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（13JCZDJC35300）

閆澍旺（1950—），男，天津市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程地基處理方面的教學(xué)和科研工作。E-mail：yanshuwang@tju.edu.cn